夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基有效樁長(zhǎng)與樁身強(qiáng)度關(guān)系試驗(yàn)研究

佟建興 ，閆明禮 ，孫訓(xùn)海 ，楊新輝 ，王明山

（1. 中國(guó)建筑科學(xué)研究院 地基基礎(chǔ)研究所，北京 100013；2. 中國(guó)建筑科學(xué)研究院 建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

1 前 言

夯實(shí)水泥土樁法是20世紀(jì)90年代初期，中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所在北京等地舊城區(qū)危改小區(qū)工程中開(kāi)發(fā)出的地基處理技術(shù)，該方法具有施工工藝簡(jiǎn)單、周期短、造價(jià)低、施工文明、質(zhì)量容易控制等優(yōu)點(diǎn)，已在北京、河北、天津、內(nèi)蒙古等我國(guó)北方多個(gè)省市自治區(qū)廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益[1－4]。

夯實(shí)水泥土樁采用人工或機(jī)械成孔，選用相對(duì)單一的土質(zhì)材料，與水泥按一定配合比，在孔外充分拌合均勻制成水泥土混合料，分層向孔內(nèi)回填并強(qiáng)力夯實(shí)，制成均勻的水泥土樁[3]。一般取水泥和土的體積比為 1:5～1:8，樁身強(qiáng)度約為 3.0～6.0 MPa，處理深度不宜超過(guò)10 m。夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基傳遞豎向荷載的能力同樁身強(qiáng)度密切相關(guān)，強(qiáng)度越大，樁體傳遞垂直荷載的能力越強(qiáng)。給定樁身強(qiáng)度下，夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基存在有效樁長(zhǎng)或有效復(fù)合土層厚度。

通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，實(shí)測(cè)得出本次試驗(yàn)條件下，不同樁長(zhǎng)、不同樁身強(qiáng)度夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的樁、土承載及變形性狀，研究探討了夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的有效樁長(zhǎng)與樁身強(qiáng)度關(guān)系問(wèn)題。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

模型試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所模型試驗(yàn)室，在人工填土地基中進(jìn)行。試坑挖至-3.0 m原狀土層，回填土采用黏質(zhì)粉土，過(guò)篩分層回填并用木夯夯實(shí)，控制含水率為17%，按每層虛鋪15 cm，夯實(shí)至10 cm控制。取原狀土和回填土做試驗(yàn)。土的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

夯實(shí)水泥土樁模型試驗(yàn)包括5個(gè)單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)和 5個(gè)單樁載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)編號(hào)為 1#～10#試驗(yàn)。夯實(shí)水泥土樁樁徑為150 mm，樁長(zhǎng)分別為1.5、2.5、3.5 m，樁身材料為攪拌均勻的水泥土拌合料，水泥標(biāo)號(hào)為P.O32.5。土為黏質(zhì)粉土，含水率按約17%控制。樁身水泥土配合比為體積比，分別采用水泥、土體積比為1:4、1:15和1:30 三種配合比。模型樁采用洛陽(yáng)鏟成孔，分層回填水泥土拌合料并用夯錘夯實(shí)成樁。夯錘重量為 15 kg，落距為 0.6 m。填料前，清底夯實(shí)，分層回填厚度為20 cm，每層夯實(shí)擊數(shù)按30擊控制。模型樁養(yǎng)護(hù)齡期為70 d。

褥墊層厚8 cm，材料為中砂，過(guò)篩后以相同落距落下，虛鋪10 cm，攤平并夯實(shí)至8 cm。承壓板就位，挖槽鋪設(shè)形成側(cè)限條件，鋪設(shè)面積與承壓板面積相同。單樁復(fù)合地基承壓板尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為525 mm×525 mm×200 mm。

采用擊實(shí)儀分別按水泥土質(zhì)量比和體積比制作水泥土試塊，試塊為直徑62.5 mm、高125 mm的圓柱體。水泥土質(zhì)量比試塊為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為 37 d，水泥土體積比試塊為與模型樁同條件養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期為70 d。采用壓力盒量測(cè)復(fù)合地基樁頂及樁間土應(yīng)力，壓力盒平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 壓力盒平面布置（單位：mm）Fig.1 Pressure box plane layout(unit: mm)

采用剛性變形深標(biāo)量測(cè)樁間土變形，樁間土變形標(biāo)埋設(shè)深度分別為0、-0.5、-1.5、-2.5、-3.5 m，樁頂標(biāo)放置于樁頂表面，剛性變形標(biāo)平面布置如圖2所示。

先對(duì)天然地基和各單樁逐一進(jìn)行加載，直至破壞，最后進(jìn)行單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn),載荷試驗(yàn)內(nèi)容見(jiàn)表2。

圖2 變形標(biāo)平面布置（單位：mm）Fig.2 Deformation standard plane layout(unit: mm)

表2 載荷試驗(yàn)內(nèi)容Table2 The programme of load tests

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 樁身強(qiáng)度及水泥土的變形破壞形式

表3為本次試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水泥土試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，齡期37 d。由表可以看出，其他條件相同時(shí)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻入量的增加而增大；水泥土質(zhì)量比為 1:20～1:4時(shí)，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為2.22～6.68 MPa。

圖3為水泥土試塊進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后破壞照片。在豎向荷載作用下，水泥土試塊發(fā)生壓縮變形，產(chǎn)生斜向或豎向裂紋，當(dāng)施加荷載接近試塊屈服荷載時(shí)，水泥土試塊出現(xiàn)與施加荷載方向一致的張裂縫，隨著張裂縫的擴(kuò)展，試塊很快劈裂破壞。

表4為同條件養(yǎng)護(hù)水泥土試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和荷載水平達(dá)到單樁極限承載力時(shí)實(shí)測(cè)樁頂應(yīng)力?？梢钥闯?，當(dāng)荷載水平達(dá)到單樁極限承載力時(shí)，實(shí)測(cè)樁頂應(yīng)力與同條件試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本相當(dāng)，樁身產(chǎn)生壓縮變形，直至樁身屈服，樁體發(fā)生豎向劈裂破壞，劈裂縫主要發(fā)生在樁身上端，沿樁身向下逐漸減小消失，如圖4所示。

綜上所述，與散體樁如碎石樁比較，夯實(shí)水泥土樁樁身具有中等黏結(jié)強(qiáng)度，不依靠樁周土的側(cè)向約束，可以獨(dú)立成樁。與剛性樁如CFG樁比較，夯實(shí)水泥土樁屬半剛性樁，樁身強(qiáng)度較低。在豎向荷載作用下，夯實(shí)水泥土樁單樁破壞時(shí)主要為壓曲破壞和刺入破壞兩種形式，發(fā)生整體剪切破壞的可能性不大。

表3 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下水泥土試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table3 The standard curing condition of soil-cement unconfined compressive strength

圖3 夯實(shí)水泥土試塊受壓劈裂破壞Fig.3 Rammed soil-cement compression splitting failure

表4 水泥土試塊無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度及夯實(shí)水泥土樁樁頂應(yīng)力Table4 Unconfined compressive strength of cement soil and pile top stress of rammed soil-cement pile

圖4 夯實(shí)水泥土樁受壓劈裂破壞Fig.4 Rammed soil-cement pile compression splitting failure

給定樁身強(qiáng)度和樁長(zhǎng)，當(dāng)由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力大于由樁身強(qiáng)度確定的單樁承載力時(shí)，夯實(shí)水泥土樁單樁或復(fù)合地基破壞，表現(xiàn)為壓曲破壞，即樁身劈裂破壞或樁身壓縮量過(guò)大；當(dāng)由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力小于由樁身強(qiáng)度確定的單樁承載力時(shí)，夯實(shí)水泥土樁單樁或復(fù)合地基破壞，表現(xiàn)為刺入破壞，即樁端刺入下臥層造成變形過(guò)大導(dǎo)致破壞。因此，夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的樁體設(shè)計(jì)應(yīng)以樁身強(qiáng)度控制。

3.2 單樁載荷試驗(yàn)對(duì)比分析

試驗(yàn)測(cè)得天然地基承載力特征值fak= 110 kPa,夯實(shí)水泥土樁單樁荷載-沉降(Q-s)曲線如圖5所示，單樁承載力特征值見(jiàn)表5。由圖5和表5可以看出，樁身水泥土配合比為1:4，樁長(zhǎng)由1.5 m增加至2.5 m和3.5 m時(shí)，單樁承載力特征值增大，樁長(zhǎng)2.5 m和3.5 m的單樁承載力特征值相當(dāng)，即給定樁身強(qiáng)度下，夯實(shí)水泥土樁單樁承載力隨樁長(zhǎng)增加而增大，達(dá)到某一樁長(zhǎng)后（對(duì)應(yīng)給定樁身強(qiáng)度的有效樁長(zhǎng)），承載力不再繼續(xù)增大；樁長(zhǎng)同為2.5 m，樁身水泥土配比由1:4降低為1:15、1:30時(shí)，單樁承載力特征值減小，即給定樁長(zhǎng)下，夯實(shí)水泥土樁單樁承載力隨樁身強(qiáng)度降低而降低。

圖5 單樁Q-s曲線Fig.5 Q-s curves of a single pile

表5 單樁承載力特征值Table5 The bearing capacity characteristic values of single pile

3.3 夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)對(duì)比分析

夯實(shí)水泥土樁單樁復(fù)合地基荷載-沉降(Q-s)曲線如圖6所示，按照相對(duì)變形值s/b = 0.01確定復(fù)合地基承載力特征值見(jiàn)表 6。由圖表可以看出，樁身水泥土配合比為1:4，樁長(zhǎng)由1.5 m增加至2.5 m和3.5 m時(shí)，復(fù)合地基承載力特征值增大，樁長(zhǎng)2.5 m和3.5 m的復(fù)合地基承載力特征值相當(dāng)，即給定樁身強(qiáng)度 下，夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基承載力隨樁長(zhǎng)增加而增大，達(dá)到某一樁長(zhǎng)后（對(duì)應(yīng)給定樁身強(qiáng)度的有效樁長(zhǎng)），承載力不再繼續(xù)增大。樁長(zhǎng)同為2.5 m，樁身水泥土配比由1:4降低為1:15、1:30時(shí)，復(fù)合地基承載力特征值減小，即給定樁長(zhǎng)下，夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基承載力隨樁身強(qiáng)度降低而降低。

圖6 復(fù)合地基p-s曲線Fig.6 p-s curves of composite foundation

表6 復(fù)合地基承載力特征值Table6 The bearing capacity characteristic values of composite foundation

3.4 樁、土應(yīng)力比和荷載分擔(dān)比對(duì)比分析

圖7為夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基中樁、土荷載分擔(dān)比對(duì)比曲線，夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基達(dá)到其承載力特征值時(shí)（s/b = 0.01）樁土應(yīng)力比及荷載分擔(dān)比見(jiàn)表7，圖8為夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基中樁土應(yīng)力比對(duì)比曲線。由圖7、8及表7可以看出，樁身水泥土配合比為1:4時(shí)，樁長(zhǎng)由1.5 m增加至2.5 m和3.5 m，同一荷載水平下，樁土應(yīng)力比、樁荷載分擔(dān)比隨樁長(zhǎng)增加而增大，土荷載分擔(dān)比降低；荷載水平達(dá)到復(fù)合地基承載力特征值時(shí)，樁長(zhǎng)分別為2.5 m和3.5 m的夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比、樁荷載分擔(dān)比、土荷載分擔(dān)比基本相當(dāng)。

圖7 樁土荷載分擔(dān)比對(duì)比曲線Fig.7 Pile-soil load sharing ratio curves

表7 樁土荷載分擔(dān)比及樁土應(yīng)力比Table7 Pile-soil load sharing ratio and pile-soil stress ratio

樁長(zhǎng)同為2.5 m時(shí)，樁身水泥土配合比由1:4降低為1:15、1:30，同一荷載水平下，樁土應(yīng)力比、樁荷載分擔(dān)比隨樁身強(qiáng)度降低而顯著減小，土荷載分擔(dān)比顯著增大；荷載水平達(dá)到復(fù)合地基承載力特征值時(shí)，樁身水泥土配合比分別為1:15和1:30的夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比、樁荷載分擔(dān)比、土荷載分擔(dān)比基本相當(dāng)，樁土應(yīng)力比和樁荷載分擔(dān)比明顯低于樁身水泥土配合比為1:4的夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基。

圖8 樁土應(yīng)力比曲線Fig.8 Pile-soil stress ratio curves

3.5 復(fù)合地基變形對(duì)比分析

圖9為荷載p = 315 kPa時(shí)夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基中樁間土的深層變形對(duì)比曲線，圖10、11為荷載水平（p = 300～320 kPa）相當(dāng)時(shí)夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基中樁間土的深層變形等值線圖。由樁間土的深層變形對(duì)比曲線和變形場(chǎng)等值線圖可以看出，各荷載水平下，1～5#試驗(yàn)的變形區(qū)均主要集中在2.5 m深度范圍內(nèi)，即4.76倍基礎(chǔ)寬度或16.7倍樁徑范圍內(nèi)。

圖9 夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基深層變形對(duì)比曲線Fig.9 Comparison of deformation in the deep soil of rammed soil-cement pile composite foundation

圖10 樁身強(qiáng)度相同、樁長(zhǎng)不同夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基變形等值線（單位：mm）Fig.10 Deformation contour maps of rammed soil-cement pile composite foundation with same pile strength and the different pile lengths(unit: mm)

圖11 樁長(zhǎng)相同、樁身強(qiáng)度不同夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基變形等值線（單位：mm）Fig.11 Deformation contour maps of rammed soil-cement pile composite foundation with the same pile length and different pile strengths(unit: mm)

荷載水平相當(dāng)下，當(dāng)樁身水泥土配合比為1：4時(shí)，相同深度位置處的變形量，1#試驗(yàn)高于2#、3#試驗(yàn)，而2#和3#試驗(yàn)的變形量則相差不大，即夯實(shí)水泥土樁樁長(zhǎng)由1.5 m增加至2.5 m，復(fù)合土層厚度增加，變形量降低；當(dāng)夯實(shí)水泥土樁樁長(zhǎng)繼續(xù)增加，由2.5 m增加至3.5 m后，盡管復(fù)合土層厚度相應(yīng)增加，但對(duì)減小變形量效果不明顯。荷載水平相當(dāng)下，當(dāng)樁長(zhǎng)同為2.5 m時(shí)，相同深度位置處的變形量，5#試驗(yàn)最大，4#試驗(yàn)次之，2#試驗(yàn)最小。即夯實(shí)水泥土樁樁身水泥土配合比由1:30、1:15增加至1:4，樁身強(qiáng)度相應(yīng)增加，變形量降低，對(duì)減小變形量效果明顯。

4 結(jié) 論

（1）給定樁身強(qiáng)度下，夯實(shí)水泥土樁單樁和復(fù)合地基承載力隨樁長(zhǎng)增加而增大，達(dá)到某一樁長(zhǎng)后，繼續(xù)增加樁長(zhǎng)，承載力提高幅度不大，減小變形量效果不明顯。

（2）給定樁長(zhǎng)下，隨著樁身強(qiáng)度的提高，夯實(shí)水泥土樁單樁和復(fù)合地基承載力增大，變形量降低。

（3）夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基樁身強(qiáng)度同有效樁長(zhǎng)存在相關(guān)關(guān)系。給定樁身強(qiáng)度下，對(duì)應(yīng)某一樁長(zhǎng)，當(dāng)由樁身強(qiáng)度確定的單樁承載力小于由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力，繼續(xù)增加樁長(zhǎng)，對(duì)提高單樁及復(fù)合地基承載力、減小變形量效果不明顯，該樁長(zhǎng)即為給定樁身強(qiáng)度下夯實(shí)水泥土樁的有效樁長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)土層厚度即為給定樁身強(qiáng)度下夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基的有效復(fù)合土層厚度。

（4）在實(shí)際工程中，夯實(shí)水泥土樁單樁承載力特征值、復(fù)合地基承載力特征值應(yīng)按現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定，初步設(shè)計(jì)按規(guī)范公式估算時(shí)應(yīng)考慮樁身強(qiáng)度對(duì)承載力的影響，樁體設(shè)計(jì)應(yīng)以樁身強(qiáng)度控制，應(yīng)使由樁身強(qiáng)度確定的單樁承載力大于（或等于）由樁周土和樁端土的抗力所提供的單樁承載力。

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